CN86103245A

CN86103245A - 展开式永磁式步进电机

Info

Publication number: CN86103245A
Application number: CN 86103245
Authority: CN
Inventors: 葛正威
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-09
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1987-11-18

Abstract

一种展开式永磁式步进电机，其定子转子组是轴向分布的，转子为永久磁铁，定子为绕有电磁线圈的极靴。连接在转子轴上的转子在空间依次错开360°/2n，其中n为定子转子组的组数。极靴材料可以是半硬磁材料也可以是软磁材料，转子轴上加工有齿轮，极靴为“∩”形，轴支持装置可以用顶针架。本步进电机成本较低，特别适用于需要量大的设备上。

Description

本发明涉及一种永磁式步进电机，更具体地涉及一种有多个在转子轴向上分布的定子和转子组的展开式永磁式步进电机。

以前的永磁式步进电机只有一个定子和一个转子，转子为一对极和几对极的星形磁钢，其磁极在圆周上分布，定子为两相或多相绕组，转子的极数与定子每相的极数相同，这种形状的转子和定子结构复杂、加工精度要求高、因而造价较高、且体积也较大，如果在某一个设备中需要使用很多步进电机时则制造成本显著增高。

为了克服以上缺点，本发明的目的在于提供一种加工方便、造价较低、且体积也可以做成相对较小的一种永磁式步进电机。

本发明所提供的一种永磁式步进电机包括定子、转子、其特征在于在转子轴的纵向分布的多个定子转子组，其中每个转子为永久磁铁，每个定子为绕有电磁圈的铁芯及上述转子的永久磁铁的磁极在空间上依次错开360°/2n，其中n为定子转子组数。

本发明的优点是造价低、而且可以做到体积很小，加工方便，适用于与计算机配合使用，如在机场航班航次显示屏及大屏幕多色显示装置等需要大数量的步进电机的设备中应用时可使其中步进电机的成本比用现有产品降低近十倍。

以上结合附图对本发明的n＝2的一种实施例作详细描述，其中

图1为n＝2时本发明的永磁式步进电机的结构示意图;

图2为该电机顺时针方向转动时的转动情况与线圈电流波形图;

图3为该电机反时针方向转动时的转动情况与线圈电流波形图;

图4为从第一位置转到预定位置时该电机的转动情况及线圈电流波形图;

图5为从第二位置转到预定位置时该电机的转动情况及线圈电流波形图;

图6为从第三位置转到预定位置时该电机的转动情况及线圈电流波形图;

图7为从第四位置转到预定位置时该电机的转动情况及线圈电流波形图;

参见图1，该图为n＝2时步进电机的结构示意图，转子轴[7]的两端由支持装置[9，10]作可旋转支撑。该支持装置可以是带轴瓦的座架、或是带滚珠轴承的座架、或是如图1所示顶针架[9，10]，其顶针顶在轴[7]两端的中心槽孔内。沿转子轴设有两个定子转子组[11，12]转子[1，4]分别与轴[7]相连接并与轴[7]一起旋转，轴[7]的截面可以做成矩形或正方形、转子[1，4]则有相应的矩形或正方形孔，以便与轴[7]相啮合，可以用粘接或其他机械连接手段相连接。转子[1，4]为硬磁材料制成的充有磁性的永久磁铁，即每个转子上都经充磁后保持N和S的极性。两定子平行放置，定子分别由定子铁芯[3，4]和装于其上的电磁线圈[2，5]所组成，定子极靴[3，4]可以是“∩”形极靴，极靴材料可以是半硬磁材料也可以是软磁材料，半硬磁材料是一种磁滞回线为矩形的材料，它既有剩磁而且极性又可随磁场方向不同而翻转。用软磁材料制作时可以用电工钢、硅钢片或软铁等。当电磁线圈[2，5]通电时在定子极靴[3，6]中产生上端为N极、下端为S极或相反情况的磁场，与带磁性的转子[1，4]分别相互作用，两转子[1，4]安装成其磁极在空间相互错开360°/2n即90°，如图所示当从前向后看时转子[1]上的N极在右面、S极在左面，而转子[4]的N极在上面、S极在下面，错开90°。为便于加工，转子轴[7]可以采用塑料如工程塑料等注塑制作，在转子轴[7]上可以固定连接有齿轮[8]，以便通过齿轮组与负载相连，并带动其一起转动，显然也可以其他形式带动负载转动。在转子[1，4]与定子[3，6]之间保持一定的磁隙，以保证转动自如。若极靴用半硬磁材料制成，则可加强本装置失电后的自行锁定

参见图2、图3，图2、图3分别说明该步进电机顺时针与反时针转动情况及线圈中通电的电流波形图。本发明的步进电机的转动是从一起始位置开始的，然后两线圈分别按规定通以适当电流，使该电机作顺时针或反时针转动。图2（a）为步进电机的设定的一个起始位置，左面为第一定子转子组，其线圈以A表示，其中电流以I_A表示，其转子N极在上面，S极在下面;右面为第二定子转子组，其线圈以B表示其中电流以I_B表示，其转子N极在左面，S极在右面。此时定子极靴采用软磁材料，这种材料损耗小，矫顽力小，基本上无剩磁。当线圈A中通以正电流脉冲且线圈B中通以负电流脉冲，且其电流波形如图2（f）所示时，第一定子极靴上（左面）所产生的磁场为上部为N极下部为S极，第二定子极靴上（右面）的磁场则为上S下N，左面相斥，右面相吸使转子轴顺时针旋转到图2（b）所示的位置，然后线圈A、B分别通以正电流脉冲，其电流波形如图2（g）所示，使左面和右面的定子极靴的磁性都为上N下S，于是左面定子与转子相吸，右面定子与转子相斥，使该电机顺时针转动90°，到图2（c）所示位置。然后线圈A通以负电流脉冲，线圈B通以正电流脉冲，其电流波形如图2（h）所示，此时左面定子极靴为上S下N，右面定子极靴为上N下S，于是左面定子与转子相斥、右面定子与转子相吸，使电机顺时针又转过90°到图2（d）所示位置，然后线圈A及线圈B分别通以负电流脉冲其电流波形如图2（i）所示，此时左，右两定子极靴的极性都为上S下N，左面定子与转子相吸，右面定子与转子相斥，使电机转过90°到图2（e）所示位置，即回到了起始位置（如图2（a）所示），这样按以上规定顺序通以相应极性的电流脉冲即可连续控制步进电机的转动。电流脉冲的宽度可取例如100ms。当定子极靴材料用半硬磁材料时由于剩磁较强，只要在需要变化磁极性质的一个定子线圈中通以规定极性的脉冲即可，而且脉冲宽度可以较窄，例如3ms，在图中以虚线表示。即以A⁺→B⁺→A^-→B^-的顺序向相应线圈通以如右上角所标出的极性的电流脉冲即可工作。其工作情况和上面用软磁材料的情况相同。在图3中，当步进电机需要从初始位置上作反时针运动时，先以定子极靴用软磁材料为例，首先线圈A、B中都通过以正脉冲电流，其波形如图3（f）所示，因而左、右两定子上都产生上N下S的极性，左面定子与转子相斥、右面定子与转子相吸，使转子反时针旋转90°到图3（b）所示的位置，然后线圈A通以正电流脉冲，线圈B通以负电流脉冲，其波形如图3（g）所示，此时左面定子为上N下S，右面定子为上S下N，左面定子与转子相吸，右面定子与转子相斥，使步进电机反时针转动90°到图3（c）所示位置。然后线圈A、B都通以负脉冲电流，其波形如图3（h）所示，此时左右定子都为上N下S，左面定子与转子相斥，右面定子与转子相吸，使转子反时针转动90°到图3（d）所示位置。然后线圈A通以负脉冲电流、线圈B通以正脉冲电流，其波形如图3（i）所示，此时左面定子为上S下N，右面定子为上N下S，左面定子与转子相吸，右面定子与转子相斥，使转子反时针转动90°到图3（e）所示位置即恢复到图3（a）所示的起始位置上。以后可继续循环下去。当定子极靴使用半硬磁材料时由于有剩磁作用，只要按A⁺→B^-→A^-→B⁺顺序通以窄脉冲即可，其电流脉冲波形如图3（f）-3（i）中以虚线所示的脉冲波形。可以采用的各脉冲宽度可以如上面所说过的那样。在图2、图3中如定子用软磁材料时，先后两脉冲如前沿与后沿对齐则为连续转动，如不对齐而后者有滞后则为步进转动。

参见图4～图7，由于停机后转子所停的位置是随机的，每次开机后并不都停在上述的起始位置，为此必须首先使转子恢复到该起始位置上。为此必须在正式转动时先在线圈A中通以负脉冲电流，同时线圈B中通以正的脉冲电流，然后再在线圈A中通以负脉冲电流，同时在线圈B中通以负脉冲电流。其波形可以从图4～图7的（e）、（f）中看到。这样即可使转子回到上述的起始位置。由于转子停的位置有四种，故在图4～7图中分别从不同位置开始，说明其是如何变到起始位置上的。参见图4，该转子停在如图4（a）所示的第一位置上，该位置与上述起始位置相同，第一次通电流后，左面定子为上S下N，右面定子为上N下S，此时由于左面定子与转子牢牢吸住，而不能转动，如图4（b）所示，当第二次通电流时，左面和右面的定子都为上S下N，如图4（c）所示，由于左面定子与转子仍牢牢吸住，故转子不转动仍停在起始位置上。参见图5，此时转子停在如图5（a）所示的第二位置上，在第一次通电后，左面定子为上S下N，右面定子为上N下S，由于左面定子与转子相吸引，右面定子与转子相排斥，使转子反时针旋转90°到图5（b）所示的位置上，当第二次通电时，左右两定子都是上S下N，由于左面定子与转子牢牢相吸不能转动，停在图5（c）所示的位置上，该位置与图5（b）所示位置同且亦为起始位置。参见图6，此时转子停在如图6（a）所示的第三位置上，在第一次通电后，左面定子为上S下N，右面定子为上N下S，由于左面定子与转子相互排斥，右面定子与转子相互吸引，因而转子顺时针转动90°至如图6（b）所示的位置，在第二次通电后，左、右两定子都为上S下N，由于左面定子与转子相吸引，右面转子与定子相排斥，使转子顺时针旋转90°到如图6（c）所示的位置上即恢复到起始位置上。参见图7，此时转子停在如图7（a）所示的第四位置上，当第一次通电后，左面定子为上S下N，右面定子为上N下S，因为左面定子与转子紧紧吸牢故不能转动，停在如图7（b）所示位置上，当第二次通电时，左面定子上S下N，右面定子为上S下N，左面定子与转子相吸引，右面定子与转子相斥，因而转子顺时针旋转90°到如图7（c）所示的位置上，即回到规定的起始位置上。从图4～图7可以看出，不管转子停在什么位置上只要按一定顺序通以一定电流就能使转子的位置起始化，从而使本发明的装置有了实用意义。同时如定子极靴用半硬磁材料制成则由于有剩磁，脉冲可以变窄如从100ms变成3ms，在图中该窄脉冲以虚线表示。

以上是以n＝2为例对本发明的步进电机的工作进行说明，同时n≥3时也可类似地通过通电使其恢复到起始位置，然后与负载交连，再类似地分步通电使其按步旋转。

Claims

1、一种永磁式步进电机包括定子与转子，转子轴两端的支持装置，其特征在于在转子轴的纵向上分布有多个定子转子组，其中连接在转子轴上的每个转子为永久磁铁，每个定子为绕有电磁线圈的极靴，上述转子在空间上依次错开的角度为360°/2n，其中n为定子转子组数。

2、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征在于支持装置为带轴瓦的座架或带滚珠轴承的座架，或顶针架。

3、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征在于定子极靴的材料为软磁材料。

4、如权利要求3所述的永磁式步进电机，其特征在于定子极靴的材料为电工钢或硅钢或软铁。

5、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征在于定子极靴的材料为半硬磁材料。

6、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征包括转子轴上的输出动力用的齿轮。

7、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征在于带齿轮的转子轴由塑料注塑制成。

8、如权利要求7所述的永磁式步进电机，其特征在于转子轴的截面基本上为矩形或正方形。

9、如权利要求1所述的永磁式步进电机，其特征在于定子极靴为“∩”形。